indagheranno i principali parametri (sperimentali e strumentali) che risultano essere responsabili della diversa morfologia dei “mats” ottenuti,
4. RISULTATI E DISCUSSIONE
4.5 Prove di degradazione idrolitica
Le prove di degradazione idrolitica sono state condotte sia su campioni ottenuti tramite elettrofilatura, che su campioni in forma di film ottenuti tramite pressatura ad alta temperatura. In entrambi i casi il peso dei campioni analizzati è di circa 20 mg e vengono mantenuti per diversi giorni ad una temperatura costante di 37°C in una soluzione acquosa a pH 7.40 (condizioni fisiologiche) con tampone fosfato.
Per analizzare i cambiamenti provocati dal processo di degradazione nel tempo si è stabilito un calendario dei prelievi. Nei giorni fissati si preleva un campione dal bagno che viene lavato con acqua distillata per eliminare i sali della soluzione tampone,
asciugato ed infine essiccato sotto vuoto su P2O5 per eliminare l’acqua residua.
4.5.1 Degradazione idrolitica del copolimero PL11GA
PL11GA elettrofilato
Sono stati preparati 12 campioni di PL11GA che sono stati sottoposti alle prove di idrolisi per tempi diversi e sono stati denominati PL11GA-x, dove x indica il numero dei giorni di permanenza in tampone fosfato. Il primo prelievo è stato effettuato dopo 7 giorni e l’ultimo dopo 44 giorni. È stato misurato il pH della soluzione tampone di ogni campione e si è registrata una variazione da 7.39 (primo prelievo) a 7.35 (ultimo prelievo): si può quindi affermare che il pH rimane pressoché invariato durante i 44 giorni di analisi.
Dopo il prelievo dalla soluzione tampone, i campioni sono stati analizzati sia alla TGA che al DSC allo scopo di individuare eventuali differenze di comportamento termico attribuibili alla permanenza in tampone.
Il confronto delle TGA (Figura 4.27) del campione iniziale e dell’ultimo prelevato, mostra una diminuzione modesta della stabilità termica (Tmax varia di circa 13°C), dopo 44 giorni di permanenza in soluzione acquosa. Questo risultato può essere attribuito all’effetto dell’idrolisi che provoca un calo del peso molecolare del copolimero. Come già discusso nel Capitolo 4.1 la stabilità termica di un polimero dipende fortemente dalla lunghezza delle catene e una diminuzione del peso molecolare comporta, all’analisi termogravimetrica, un numero di eventi di rottura di legame minore per generare oligomeri volatili, la cui evaporazione provoca la perdita di peso del campione. Quindi laddove si verifichi un abbassamento del peso molecolare, conseguentemente si avrà una diminuzione della stabilità termica.
Figura 4.27: Analisi termogravimetrica dei campioni PL11GA-0 (nero) e
PL11GA-44 (blu)
In Figura 4.28 sono riportate le curve calorimetriche relative alla seconda scansione (per la procedura vedi Capitolo 3.3.2) del campione di PL11GA sottoposto ad idrolisi
per 44 giorni è confrontata con quelle del copolimero non idrolizzato
.
Le temperaturedi transizione vetrosa dei campioni misurate nella seconda scansione sono risultate uguali (58°C) il che fa concludere che se i campioni hanno subito modifiche a livello molecolare durante la permanenza in tampone, come un calo del peso molecolare, devono essere di entità modesta, tali cioè da non alterare le proprietà calorimetriche delle fibre elettrofilate.
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 0 20 40 60 80 100 120 0 100 200 300 400 500 600 P es o ( % ) D eri v p es o ( % /°C ) Temperatura (°C)
Figura 4.28: Analisi calorimetrica dei campioni PL11GA-0 (nero) e PL11GA-44
(blu).
Tabella 4.6: Dati calorimetrici dei campioni PL11GA-0 e PL11GA-44.
PL11GA-0 Tg (°C) &cp Tc (°C) Tm (°C) &Hc='&Hm (J/g)
1 scansione 58 0.58 95 144 26
2 scansione 58 0.55
PL11GA-44
1 scansione 64 0.39 97 145 25
2 scansione 58 0.54
In Tabella 4.6 sono riportati i dati ottenuti al DSC, in due scansioni successive, per i
campioni di PL11GA-0 e PL11GA-44. Nel corso dellaprima scansione il PL11GA-0
mostra, oltre alla transizione vetrosa, un picco esotermo (Tc) ed uno endotermo (Tm)
da cui è possibile calcolare i valori di &Hc e'&Hm che risultano entrambi pari a 26J/g il che significa che il materiale di partenza è amorfo. La temperatura di transizione vetrosa misurata per il PLGA-0 nella prima scansione è identica a quella misurata nella seconda scansione mentre il picco endotermo scompare. Anche nel caso del
Temperatura (°C) Eso
PL11GA-44 nella prima scansione è presente un picco esotermo a ed uno endotermo da cui si ricavano le temperature di cristallizzazione (97°C)e fusione (145°C) che risultano simili a quelle ottenute per il copolimero che non ha subito idrolisi
(Tc=95°C, Tm=144°C). I valori di entalpia di cristallizzazione e fusione calcolati nella
prima scansione sono entrambi pari a 25J/g e anche dopo 44 giorni il copolimero rimane amorfo. Anche nella seconda scansione del PL11GA-44 non si registrano transizioni relative a cristallizzazione e fusione; la Tg risulta essere più alta nella prima scansione (64°C) rispetto a quella della seconda scansione (59°C): tale diversità va correlata alla presenza di un rilassamento entalpico registrato, in corrispondenza della transizione vetrosa nella prima scansione (non riportata), attribuibile al fenomeno dell’invecchiamento fisico. Tale fenomeno si verifica quando il polimero si trova ad
una temperatura minore ma vicina alla sua Tg e trae origine dalla mancanza di
equilibrio termodinamico nei polimeri allo stato vetroso: si avrà, quindi, una contrazione del volume libero (inteso come spazio non occupato dalle molecole) che si riflette in un aumento della temperatura di transizione vetrosa del polimero. I campioni sottoposti alle prove di degradazione idrolitica sono stati lasciati a 37°C per
diversi giorni e presentano quindi, nella prima scansione, una Tg più alta. Alla seconda
scansione, dopo aver portato il campione ad una T molto maggiore di Tg, l’effetto
dell’invecchiamento fisico viene cancellato e la Tg si abbassa.
Considerando i dati termogravimetrici e calorimetrici si può concludere che durante i 44 giorni di permanenza in soluzione tampone del mat di PL11GA, potrebbe esserci stata una perdita di peso molecolare, ma di modesta entità.
Figura 4.29: Tappetino di PL11GA: a) 0 giorni, b) dopo 44 giorni.
Tale osservazione è confermata dalle micrografie SEM in Figura 4.29, che evidenziano come le fibre non presentino cambiamenti morfologici evidenti per effetto dell’idrolisi anche dopo 44 giorni.
PL11GA film
Le prove di degradazione idrolitica per questo copolimero sono state condotte anche, come detto all’inizio del Capitolo 4.5, su campioni in forma di film ottenuti tramite pressatura ad alta temperatura. Il poliestere è stato inizialmente solubilizzato in CH2Cl2 (5% w/v), la soluzione è stata quindi versata in una capsula Petri per permettere l’evaporazione del solvente a temperatura ambiente. Con tale procedimento sono stati ottenuti dei film sottili che sono stati successivamente pressati a 185°C (pressa Carver) al fine di ricavare film di spessore compreso tra 0.15 e 0.20 mm. Da ogni film sono stati ritagliati dei campioni aventi una lunghezza di 25 mm e larghezza 5 mm; una parte dei campioni è stata successivamente trattata in stufa a 100°C per 1h al fine di ottenere uno sviluppo di fase cristallina in quantità definita e stabile alla temperatura delle prove di degradazione idrolitica (37°C). I film non trattati in stufa sono risultati amorfi. I parametri di idrolisi sono gli stessi che nel caso dei campioni elettrofilati, ma data la differenza di morfologia (vedi Capitolo 1.5) imputabile al metodo di preparazione dei campioni, è stato necessario stabilire un calendario di prelievi della durata complessiva di: 305 giorni per il PL11GA amorfo (a-PL11GA) e di 300 giorni per il PL11GA cristallizzato (c-PL11GA).
In Figura 4.30 sono riportate le curve termogravimetriche di alcuni campioni di PL11GA amorfi sottoposti alle prove di idrolisi, in particolare di: a-PL11GA-47, a- PL11GA-83, a-PL11GA-116, a-PL11GA-154, a-PL11GA-196, a-P11LGA-277, a- PL11GA-305 confrontati con il campione a-PL11GA-0. Tutti i campioni sono stati sottoposti ad essiccamento prima di procedere all’analisi termogravimetrica. Si può osservare che la stabilità termica diminuisce al crescere del tempo di idrolisi suggeriscono variazione del peso molecolare. In questo caso si vede come in tutti i
campioni la temperatura a cui la velocità di degradazione è massima (Tmax) sia
piuttosto stabile e compresa tra 310-320°C, mentre l’inizio del processo di degradazione (vedi curva relativa alla perdita di peso percentuale) avviene a
temperature minori man mano che il tempo di idrolisi aumenta. Si può ipotizzare, dai dati ottenuti dalla TGA, che nei campioni degradati cambi la distribuzione dei pesi molecolari elevati all’aumentare del tempo di idrolisi, con lo sviluppo di frazioni a pesi molecolari bassi con minore stabilità termica. Come detto precedentemente nel Capitolo 1.5, quando frammenti a basso peso molecolare rimangono nel campione, si parla di degradazione idrolitica eterogenea in cui le catene a basso peso molecolare permangono all’interno del campione e innescano un processo di autocatalisi. La degradazione all’interno sarà maggiore rispetto che all’esterno.
Figura 4.30: Analisi termogravimetrica dei campioni a-PL11GA-0 (nero), a-
PL11GA-47 (verde), a-PL11GA-83 (rosso), a-PL11GA-116 (fucsia), a-PL11GA-154 (azzurro), a-PL11GA-196 (blu), a-P11LGA-277 (viola), a-P11LGA-305 (verde oliva).
Le curve continue rappresentano le perdite di peso percentuali e le curve tratteggiate rappresentano le rispettive derivate in funzione della temperatura.
Confrontando le curve DSC (Figura 4.31) dei campioni prelevati dalla soluzione tampone dopo diversi periodi di permanenza, con quelle del campione iniziale, si osserva come cali la Tg al crescere del tempo di idrolisi. Questa osservazione è imputabile all’effetto delle catene a basso peso molecolare che fungono da
P es o ( % ) Deri v. pe so (% /°C ) Temperatura (°C) P es o ( % )
plastificante. Inoltre l’abbassamento della Tg permette al polimero di cristallizzare per effetto della maggior mobilità delle catene ed è per questo che, nelle curve relative alla seconda scansione dopo raffreddamento veloce, compaiono i picchi esotermi ed endotermi nei campioni idrolizzati.
Figura 4.31: Analisi calorimetrica dei campioni:
a-PL11GA-0 (rosso), a-PL11GA-196 (blu), a-PL11GA-277 (verde), a-PL11GA- 305 (nero). Curve calorimetriche relative alla seconda scansione.
Le micrografie SEM (Figura 4.32) della superficie e della sezione (Figura 4.33) di campioni di a-PL11GA idrolizzati per diversi periodi, confermano che la degradazione avviene in modo eterogeneo. Infatti si può osservare che in superficie compaiono pochissimi fori (indicati dalle frecce) solamente a partire da 154 giorni (Figura 4.32c) e a 305 giorni (Figura 4.32d) e la superficie appare ancora abbastanza integra soprattutto se confrontata con la sezione in cui i fori compaiono già nel campione prelevato dopo 47 giorni (Figura 4.33b).
Temperatura (°C) Eso
I fori sono dovuti alle catene di oligomeri liquidi che si sono formati per degradazione e che sono rimasti all’interno del campione generando il processo di autocatalisi acida.
Figura 4.32: Micrografie SEM delle superfici dei campioni:
a) a-PL11GA-0, b) a-PL11GA-47, c) a-PL11GA-154, d) a-PL11GA-305.
d)
a)
b)
Figura 4.33: Micrografie SEM delle sezioni dei campioni:
a) a-PL11GA-0, b) a-PL11GA-47, c) a-PL11GA-154, d) a-PL11GA-305.
d)
a)
b)
Consideriamo ora i risultati di idrolisi ottenuti per i film di c-PL11GA. In Figura 4.34 sono riportate le curve termogravimetriche dei seguenti campioni: c-PL11GA-50, c-PL11GA-116, c-PL11GA-196, c-PL11GA-300 confrontati con il campione c- PL11GA-0. Tutti i campioni sono stati sottoposti ad essiccamento prima di procedere all’analisi termogravimetrica.
Figura 4.34: Analisi termogravimetrica dei campioni:
c-PL11GA-0 (nero), c-PL11GA-50 (verde), c-PL11GA-116 (fucsia), c-PL11GA-196 (rosso), c-PL11GA-300 (blu).
Dalle curve TGA in Figura 4.34, si può vedere come per i campioni c-PL11GA-50, c-PL11GA-116, c-PL11GA-196, la temperatura a cui la velocità di degradazione è
massima (Tmax), risulta molto simile, mentre il processo di degradazione (vedi curva
relativa alla perdita di peso percentuale) inizia a temperature minori man mano che il tempo di idrolisi aumenta. Come detto sopra; questo fa pensare che nei campioni citati, le catene a basso peso molecolare che si sviluppano durante l’idrolisi non diffondano nell’ambiente acquoso ma permangano all’interno del campione dando vita a un processo di degradazione eterogeneo. Andamento decisamente diverso è mostrato dal campione c-PL11GA-300, nel quale tutta la curva di degradazione si
P es o ( % ) Temperatura (°C) D eri v p es o ( % /°C ) P es o ( % )
sposta a temperature inferiori con Tmax abbassata di circa 50°C rispetto ai campioni sopra discussi. Questa osservazione fa ipotizzare che si sia avuto un cambiamento consistente nel peso molecolare.
Confrontando le curve calorimetriche relative alla seconda scansione dopo raffreddamento veloce (Figura 4.35) dei campioni idrolizzati per diversi periodi, con quelle del campione iniziale, si osserva come per i campioni c-P11LGA-0 e c-
PL11GA-50 l’unica transizione termica che si verifica è la Tg con valori molto simili:
Tg c-PL11GA-0 = 58°C e Tg c-PL11GA-50 = 56°C. Al crescere del tempo di idrolisi si verifica
un abbassamento della temperatura di transizione vetrosa (Tg c-PL11GA-116 = 50°C e Tg c-
PL11GA-300 = 53°C), che permette al polimero di cristallizzare per effetto della maggior mobilità delle catene ed è per questo che compaiono i picchi esotermi ed endotermi man mano che l’idrolisi prosegue.
Figura 4.35 Analisi calorimetrica dei campioni:
c-PL11GA-0 (nero), c-PL11GA-50 (rosso), c-PL11GA-116 (fucsia), c-PL11GA- 300 (blu). Curve calorimetriche relative alla seconda scansione.
Ricordando che i film di partenza sono stati trattati in stufa a 100°C per 1h al fine di ottenere uno sviluppo di fase cristallina, dalle analisi morfologiche eseguite al SEM, si può osservare che, al crescere del tempo di idrolisi, mentre la superficie resta
-2 -1 0 1 2 -20 20 60 100 140 180 Temperatura (°C) eso endo
invariata (Figura 4.36), in sezione (Figura 4.37) compaiono le lamelle che costituiscono la sferulite (indicate dalle frecce in Figura 4.37b). Tale fenomeno va spiegato considerando, come già detto nel Capitolo 1.5, che la fase amorfa subisce idrolisi in tempi più brevi rispetto alla fase cristallina in virtù del differente comportamento diffusivo dell’acqua in queste matrici.
Figura 4.36: Micrografie SEM delle superfici dei campioni semicristallini:
a) c-PL11GA-0, b) c-PL11GA-300.
Figura 4.37: Micrografie SEM delle sezioni dei campioni semicristallini:
a) c-PL11GA-0, b) c-PL11GA-300.
a
b
b
a
4.5.2 Degradazione idrolitica del copolimero PL36GA
Le prove di degradazione idrolitica sono state condotte su 12 campioni di PL36GA ottenuti tramite elettrofilatura. Il primo prelievo è stato effettuato dopo 7 giorni e l’ultimo dopo 40 giorni. È stato misurato il pH della soluzione tampone di ogni campione e si è registrata una variazione da 7.40 (primo prelievo) a 7.27 già dopo la prima settimana di test. Dopo il prelievo dalla soluzione tampone, i campioni sono stati analizzati sia alla TGA che al DSC allo scopo di individuare eventuali differenze di comportamento termico attribuibili alla permanenza in soluzione.
Figura 4.38: Analisi termogravimetrica dei campioni PL36GA-0 (nero), PL36GA-16
(verde), PL36GA-30 (blu), PL36GA-40 (rosso)
Il confronto delle TGA (Figura 4.38) dei campione iniziale e dei campioni a diversi giorni di idrolisi mostra una diminuzione notevole della stabilità termica con l’aumento dei giorni di permanenza in soluzione acquosa dei “mats”.
Questa diminuzione della T di degradazione può essere attribuita, come detto anche per il PL11GA elettrofilato (Figura 4.27), all’effetto dell’idrolisi sul peso molecolare delle catene polimeriche. Un abbassamento del peso molecolare provoca una diminuzione della stabilità termica. Il fatto che la diminuzione della stabilità termica
-1 0 1 2 3 0 20 40 60 80 100 120 0 100 200 300 400 500 600 ––––––– PLGA 1806 elect+essi.001
––––––– PLGA 1806 camp E.001
––––––– PLGA 1806 camp M.001 ––––––– PLGA 1806 camp Q.001 Temperatura (°C) P es o ( % ) D eri v p es o ( % /°C )
del copolimero PL36GA al crescere del tempo di idrolisi sia più consistente rispetto al calo riscontrato per il PL11GA, va spiegato, come detto nel Capitolo 1.5, con il fatto che la velocità di degradazione idrolitica dipende dalla composizione dei copolimeri. Il PL36GA (36%) contiene un maggior numero di unità dell’acido glicolico rispetto al PL11GA (11%) che conferiscono al PL36GA un maggior idrofilicità rispetto al PL11GA.
Dopo il prelievo dalla soluzione tampone, i campioni sono stati analizzati al DSC allo scopo di individuare eventuali differenze di comportamento termico attribuibili al processo di idrolisi.
In Figura 4.39 sono confrontate le curve calorimetriche relative alla seconda scansione dei campioni PL36GA-0 e PL36GA-40. Si può osservare come la temperatura di transizione vetrosa del campione prelevato dopo 40 giorni, risulti
inferiore (44°C) rispetto quella del campione iniziale (48°C). L’abbassamento della Tg
è imputabile alla presenza di catene a basso peso molecolare, che si sviluppano al crescere del tempo di idrolisi, e che fungono da plastificante.
Figura 4.39: Analisi calorimetrica dei campioni:
PL36GA-0 (rosso), PL36GA-40 (fucsia). Eso
Endo
In Figura 4.40 sono riportate le immagini al SEM di fibre di PL36GA, allo stesso ingrandimento; in particolare sono mostrati i campioni PL36GA-0, PL36GA-19 e PL36GA-40.
Figura 4.40: Micrografie SEM di PL36GA: a) 0 giorni, b) dopo 19 giorni, c) dopo
40 giorni
.
In Figura 4.40 risulta evidente il cambiamento morfologico subito dalle fibre di PL36GA per effetto dell’idrolisi. Già al diciannovesimo giorno (Figura 4.40b) le fibre presentano chiaramente dei pori distribuiti lungo la fibra e contemporaneamente un collasso della struttura che va aumentando fino al quarantesimo giorno (Figura 4.40c) in cui la struttura fibrosa di partenza scompare. Tale effetti sono accompagnati da un infragilimento del materiale. Va ricordato che questo copolimero rispetto al PL11GA contiene più unità dell’acido glicolico che lo rendono maggiormente idrofilico e quindi più facilmente idrolizzabile.
a b